建筑垃圾分離渣土在道路工程中的應(yīng)用研究

董文紅，石津金，趙 雯

(1.滄州市市政工程股份有限公司，河北 滄州 061000； 2.河北省路用材料與工藝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 滄州 061000)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，建筑垃圾的產(chǎn)生量與日俱增，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國建筑垃圾的產(chǎn)生量已占到城市固體廢棄物產(chǎn)生總量的一半以上，其中渣土類建筑垃圾約占70%，在建筑垃圾總量中所占比例最高[1]。根據(jù)渣土的來源及產(chǎn)生方式的不同，可以將渣土分為兩類:Ⅰ類渣土為工程垃圾、拆除垃圾和裝修垃圾在資源化處理過程中分離產(chǎn)生的棄土，也稱為分離渣土；Ⅱ類渣土為各類建筑物、構(gòu)筑物、管網(wǎng)等基礎(chǔ)開挖過程中產(chǎn)生的棄土，也稱為工程渣土[2]。渣土具有資源化屬性，通過一定的技術(shù)措施對(duì)其再生利用，可以有效提高建筑垃圾資源化利用率，減少建筑垃圾總量，促進(jìn)建筑垃圾全面、高效地再生利用[3-4]。

滄州市北京路北側(cè)規(guī)劃路為城市東西方向次干路，行車道寬21 m，底基層結(jié)構(gòu)采用16 cm厚水泥穩(wěn)定分離渣土代替一步傳統(tǒng)石灰土，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求不小于1.5 MPa。分析分離渣土理化特性，進(jìn)行水泥穩(wěn)定渣土的配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究，總結(jié)生產(chǎn)施工工藝及控制要點(diǎn)，為類似工程提供借鑒。

1 渣土理化特性分析

由于建筑垃圾的來源比較復(fù)雜，造成分離渣土的成分也存在較大的變異性，按照GB/T 14685—2011建設(shè)用碎石卵石的要求在滄州某建筑垃圾處置廠分離渣土料堆上取樣，并進(jìn)行顆粒分析、界限含水率、有機(jī)質(zhì)含量、燒失量、酸堿度等理化特性試驗(yàn)[5-7]。

1.1 顆粒分析

取分離渣土土樣4 000 g，目測(cè)土樣大于0.075 mm的顆粒超過樣本總質(zhì)量的15%，按照J(rèn)TG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程要求，先采用“篩分法T0115-1993”進(jìn)行渣土顆粒分析試驗(yàn)，篩分結(jié)果見表1。根據(jù)篩分結(jié)果確定渣土的工程分類，經(jīng)分析，分離渣土樣本為粗粒土中的含細(xì)粒土砂。

表1 顆粒組成分析(篩分法)

對(duì)粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒土采用密度計(jì)法進(jìn)行顆粒分析，并結(jié)合篩分法顆粒分析結(jié)果繪制分離渣土粒徑分配曲線圖，見圖1。分析分離渣土的土顆粒組成特征，以土的級(jí)配指標(biāo)不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc表示。經(jīng)計(jì)算，分離渣土樣本的不均勻系數(shù)Cu=45，曲率系數(shù)Cc=1.0。

1.2 界限含水率

按照J(rèn)TG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程“液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法T0118—2007”對(duì)分離渣土樣本進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)，檢測(cè)渣土的液限、塑限，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 界限含水率試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，分離渣土的塑性指數(shù)介于5～15之間，基本滿足工程用土的要求。

1.3 有機(jī)質(zhì)含量

土的有機(jī)質(zhì)是指土中碳、氮、氫、氧為主，還有少量硫、磷和金屬元素組成的有機(jī)化合物，包括各種動(dòng)植物殘?bào)w以及微生物及其生命活動(dòng)的各種有機(jī)產(chǎn)物，它不僅能提供所需的各種營養(yǎng)元素，同時(shí)對(duì)土的結(jié)構(gòu)的形成，改善土的物理性狀有決定作用。土中有機(jī)質(zhì)含量過高，會(huì)使土的塑性和酸度提高，膨脹性增大，滲透性降低，影響整體強(qiáng)度。按照J(rèn)TG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程“含有機(jī)質(zhì)量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))試驗(yàn)T0151—1993”重鉻酸鉀容量法測(cè)試分離渣土樣本的有機(jī)質(zhì)含量，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，分離渣土的有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于2%，滿足工程用土要求。

1.4 燒失量

燒失量和灼燒溫度、灼燒時(shí)間等都有密切的關(guān)系，灼燒溫度和灼燒時(shí)間不同，燒失量結(jié)果也不同。參考JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程“燒失量試驗(yàn)T0150—1993”，分別進(jìn)行500 ℃和950 ℃兩階段燒失量試驗(yàn)，將烘干樣本過1 mm篩，精確稱量1 g～2 g土樣，記錄質(zhì)量m0，放入燃燒爐在500 ℃情況下灼燒3 h，記錄灼燒后質(zhì)量m1，再放入箱式電阻爐在950 ℃情況下灼燒0.5 h，記錄燒后質(zhì)量m2。500 ℃和950 ℃燒失量按式(1)和式(2)計(jì)算。燒失量試驗(yàn)結(jié)果見表4。

(1)

(2)

表4 燒失量試驗(yàn)結(jié)果 %

從本次試驗(yàn)結(jié)果來看，950 ℃測(cè)得的燒失量明顯大于500 ℃燒失量。500 ℃測(cè)得的燒失量主要為土中的有機(jī)質(zhì)，據(jù)文獻(xiàn)[8]表明，480 ℃～ 510 ℃溫度段是有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)分解的敏感區(qū)間，在這個(gè)溫度區(qū)間有機(jī)質(zhì)全部分解燃燒，一部分無機(jī)質(zhì)處于吸熱即將分解的狀態(tài)。950 ℃燒失量法測(cè)得的燒失量除有機(jī)質(zhì)外還包括部分結(jié)晶水、有機(jī)碳、碳酸鹽分解出的CO2，硫酸鹽分解出的SO2。因此，950 ℃燒失量法測(cè)得的結(jié)果偏大，該溫度下燒失的物質(zhì)中有機(jī)質(zhì)并不完全占主體。

1.5 酸堿度

研究表明，土壤的pH值對(duì)水泥固化土的抗壓強(qiáng)度有較大的影響。采用酸度計(jì)測(cè)定渣土懸濁液的pH值，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5可以看出，分離渣土pH值均介于7.1～7.3之間，處于弱堿性介質(zhì)環(huán)境，有利于水泥固化土強(qiáng)度的增長。

表5 酸堿度試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，分離渣土在土的工程分類中屬粗粒土范疇，其塑性指數(shù)基本介于5～15之間，有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于2%，500 ℃燒失量在4%～5%之間，pH值介于7.1～7.3之間，處于弱堿性介質(zhì)環(huán)境，按照CJJ 1—2008城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范的推薦，適宜采用水泥進(jìn)行穩(wěn)定用于道路工程底基層。

2 水泥穩(wěn)定分離渣土配合比設(shè)計(jì)

按照CJJ 1—2008城鎮(zhèn)道路工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范有關(guān)要求進(jìn)行水泥穩(wěn)定分離渣土的配合比設(shè)計(jì)，選擇3%，4%，5%，6%，7%五種不同水泥劑量進(jìn)行水泥穩(wěn)定分離渣土混合料配制，分別制備不同水泥劑量的水泥穩(wěn)定分離渣土試件，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定不同水泥劑量混合料的最大干密度和最佳含水率，見圖2。在最大干密度和最佳含水率的條件下制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

CJJ 1—2008城鎮(zhèn)道路工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范中規(guī)定城市快速路、主干路底基層水泥穩(wěn)定土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)為1.5 MPa～2.5 MPa。按照內(nèi)插法計(jì)算1.5 MPa強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)的水泥劑量為4.22%；同樣假設(shè)5%～6% 段的斜率是均勻連續(xù)不變的，則滿足2.5 MPa強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)的水泥劑量為5.5%；即滿足1.5 MPa～2.5 MPa的水泥劑量應(yīng)在4.22%～5.5%之間，結(jié)合經(jīng)濟(jì)情況，確定5%為適宜的水泥劑量。

3 水泥穩(wěn)定分離渣土路用性能

在5%水泥劑量的基礎(chǔ)上，以0.5%的變化梯度，即水泥劑量分別為4.5%,5%,5.5%，制備水泥穩(wěn)定分離渣土試樣，進(jìn)行水泥穩(wěn)定分離渣土的不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等力學(xué)性能及抗凍性、抗沖刷性等穩(wěn)定性、耐久性檢驗(yàn)。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定分離渣土7 d,28 d,60 d,90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：3個(gè)水泥劑量的水泥穩(wěn)定分離渣土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到1.5 MPa以上，滿足規(guī)定的各級(jí)道路用水泥穩(wěn)定土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求；不同劑量的水泥穩(wěn)定分離渣土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著水泥劑量的增加和齡期的增長而增強(qiáng)。水泥水化生成有膠結(jié)能力的水化產(chǎn)物，在土的孔隙中相互交織搭接，將土顆粒包覆連接起來形成整體，水泥劑量越高，齡期越長，水化反應(yīng)越徹底，強(qiáng)度越高[9-11]。

3.2 劈裂強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定分離渣土劈裂試驗(yàn)結(jié)果見圖5。隨著水泥劑量的增加，水泥水化產(chǎn)物逐漸增多，水泥穩(wěn)定分離渣土的劈裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，渣土這種級(jí)配良好的粗粒土在水泥水化產(chǎn)物的包裹下易于形成強(qiáng)度良好的整體。水泥劑量為5.5%時(shí)，劈裂強(qiáng)度達(dá)到0.64 MPa。滿足城鎮(zhèn)道路水泥劑量為4%～6%的水泥穩(wěn)定碎石材料對(duì)劈裂強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

3.3 抗壓回彈模量

水泥穩(wěn)定分離渣土的抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果見圖6。水泥穩(wěn)定分離渣土的抗壓回彈模量隨水泥劑量的增加而增大，穩(wěn)定土抵抗變形的能力得到提高。水泥劑量為5.5%時(shí)，水泥穩(wěn)定分離渣土的抗壓回彈模量達(dá)到934 MPa，能夠滿足路面基層的強(qiáng)度要求。

3.4 抗沖刷性能

按照J(rèn)TG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程中的“無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料抗沖刷試驗(yàn)方法T0860—2009”，進(jìn)行水泥穩(wěn)定分離渣土的抗沖刷試驗(yàn)。隨著水泥劑量的增長，水泥穩(wěn)定分離渣土的平均質(zhì)量損失大幅降低(見圖7)，抗沖刷性能得到明顯增強(qiáng)。膠凝材料在混合料抗沖刷性能中起到了非常關(guān)鍵的作用，隨著水泥劑量的增加，水泥水化生成有膠結(jié)能力的水化產(chǎn)物逐漸增多，水化反應(yīng)越徹底，形成的混合料受水侵蝕的能力越強(qiáng)。水泥劑量為5.5%時(shí)，水泥穩(wěn)定分離渣土的質(zhì)量損失僅為0.11%，具有較好的抗水侵蝕能力。

3.5 抗凍性能

按照J(rèn)TG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程中的“無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料凍融試驗(yàn)方法T0858—2009”，進(jìn)行水泥穩(wěn)定分離渣土抗凍性能試驗(yàn)。隨著水泥劑量的增加，水泥穩(wěn)定分離渣土的凍融殘留強(qiáng)度比增大，質(zhì)量變化率減小，抗凍融能力增強(qiáng)(如圖8，圖9所示)。

目前規(guī)范僅對(duì)冰凍地區(qū)高速公路和一級(jí)公路的石灰粉煤灰穩(wěn)定類基層的抗凍性能做出了規(guī)定，對(duì)于其他類基層材料未做出明確規(guī)定。滄州屬于中凍區(qū)，從試驗(yàn)結(jié)果來看，5%以上水泥劑量的水泥穩(wěn)定分離渣土殘留強(qiáng)度比能夠滿足規(guī)范中要求的中凍區(qū)不小于65%的要求。因此在道路工程中應(yīng)用時(shí)，水泥劑量應(yīng)不低于5%。綜合各項(xiàng)路用性能指標(biāo)，確定水泥穩(wěn)定分離渣土的水泥劑量為5.5%。

4 水泥穩(wěn)定分離渣土生產(chǎn)及施工

滄州市北京路北側(cè)規(guī)劃路為城市東西方向次干路，全長2 269.78 m，其中K0+000～K0+260段作為水泥穩(wěn)定渣土試驗(yàn)段，行車道路面結(jié)構(gòu)為：16 cm厚石灰土(7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求不小于0.8 MPa)+16 cm厚水泥穩(wěn)定渣土(7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.5 MPa)底基層，18 cm厚水泥穩(wěn)定碎石(7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.0 MPa～4.0 MPa)基層，噴灑透層油并做橡膠瀝青下封層，面層采用5 cm AC-16C型瀝青混凝土及4 cm AR-AC13型橡膠瀝青混合料，層間噴灑粘層油。

4.1 生產(chǎn)和施工工藝

以水泥劑量5.5%為基準(zhǔn)，重新進(jìn)行水泥劑量為5%,5.5%,6%的水泥穩(wěn)定分離渣土的擊實(shí)試驗(yàn)及7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 水泥穩(wěn)定渣土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

綜合考慮強(qiáng)度要求、施工及生產(chǎn)要求、經(jīng)濟(jì)性，確定采用6%水泥劑量的水泥穩(wěn)定分離渣土，最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))14.4%，最大干密度1.842 g/cm3，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.68 MPa。

采用WBS700E穩(wěn)定土廠拌設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，水泥劑量比試驗(yàn)室劑量增加0.5%，渣土的含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為12.9%，拌和加水量3.8%。拌和的水泥穩(wěn)定渣土均勻、色澤一致，無粘連、結(jié)塊現(xiàn)象，手握能夠成團(tuán)，不松散，無滲水現(xiàn)象。

使用兩臺(tái)攤鋪機(jī)攤鋪，經(jīng)試驗(yàn)段確定現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝為：初壓采用12 t膠輪壓路機(jī)穩(wěn)壓1遍，復(fù)壓采用20 t單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)振壓3遍、22 t三輪壓路機(jī)碾壓3遍，終壓采用膠輪壓路機(jī)碾壓2遍。碾壓成型后進(jìn)行灑水養(yǎng)生，保持表面濕潤。

4.2 質(zhì)量檢驗(yàn)

取拌和好的水泥穩(wěn)定分離渣土混合料送檢，檢測(cè)水泥劑量和混合料含水率，由現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)結(jié)果可知，混合料水泥劑量為6.5%～6.7%，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為14.8%～16.0%。

每2 000 m2現(xiàn)場(chǎng)取樣檢驗(yàn)混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于1.5 MPa，滿足CJJ 1—2008城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范要求?，F(xiàn)場(chǎng)采用灌砂法進(jìn)行水泥穩(wěn)定分離渣土底基層壓實(shí)度檢測(cè)，每1 000 m2抽查1點(diǎn)，壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)中底基層壓實(shí)度不小于93%的要求。在水泥穩(wěn)定分離渣土底基層成型5 d后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆芯，芯樣均完整、密實(shí)(見圖10)，芯樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果為1.58 MPa。

北京路北側(cè)規(guī)劃路竣工后對(duì)路面質(zhì)量情況進(jìn)行了定期回訪，至今路面沒有出現(xiàn)裂縫、車轍等病害，路況良好。

5 結(jié)論

1)對(duì)拆除垃圾分離渣土進(jìn)行理化特性研究，確定此類分離渣土在土的工程分類中屬粗粒土，塑性指數(shù)為5～15，有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于2%，宜采用水泥進(jìn)行穩(wěn)定用于道路底基層。2)對(duì)水泥穩(wěn)定分離渣土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)及綜合路用性能評(píng)價(jià)，確定適宜的水泥摻量為5.5%～6%，符合各等級(jí)道路底基層強(qiáng)度要求。3)水泥穩(wěn)定分離渣土采用集中廠拌法工藝進(jìn)行生產(chǎn)施工，與傳統(tǒng)的路拌法石灰土底基層相比，具有生產(chǎn)效率高、膠凝材料用量控制準(zhǔn)確、拌和均勻等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有效避免了石灰消解造成的環(huán)境污染，符合當(dāng)前的環(huán)保和文明施工要求。